半导体IGBT模块的详解

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IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT（双极型三极管）和 MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

一、 什么是IGBT模块

IGBT 模块是由 IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的 IGBT 模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上。

二、 IGBT模块的特点与市场

IGBT 模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的 IGBT 也指 IGBT 模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见；IGBT 是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

三、 IGBT 模块的制造工艺和流程

生产制造流程：

丝网印刷➔ 自动贴片➔真空回流焊接➔超声波清洗➔缺陷检测（X 光）➔自动引线键合➔激光打标➔壳体塑封➔壳体灌胶与固化➔端子成形➔功能测试

IGBT模块封装是将多个 IGBT 集成封装在一起，以提高 IGBT 模块的使用寿命和可靠性，体积更小、效率更高、可靠性更高是市场对 IGBT 模块的需求趋势，这就有待于 IGBT模块封装技术的开发和运用。目前流行的 IGBT 模块封装形式有引线型、焊针型、平板式、圆盘式四种，常见的模块封装技术有很多，各生产商的命名也不一样，如英飞凌的 62mm 封装、TP34、DP70 等等。

IGBT 模块有 3 个连接部分：硅片上的铝线键合点、硅片与陶瓷绝缘基板的焊接面、陶瓷绝缘基板与铜底板的焊接面。这些接点的损坏都是由于接触面两种材料的热膨胀系数不匹配而产生的应力和材料的热恶化造成的。

IGBT 模块封装技术很多，但是归纳起来无非是散热管理设计、超声波端子焊接技术和高可靠锡焊技术：

（1）散热管理设计方面，通过采用封装的热模拟技术，优化了芯片布局及尺寸，从而在相同的ΔTjc 条件下，成功实现了比原来高约 10%的输出功率。

（2）超声波端子焊接技术可将此前使用锡焊方式连接的铜垫与铜键合引线直接焊接在一起。该技术与锡焊方式相比，不仅具备高熔点和高强度，而且不存在线性膨胀系数差，可获得较高的可靠性。

（3）高可靠性锡焊技术。普通 Sn-Ag 焊接在 300 个温度周期后强度会降低 35%，而 Sn-Ag-In 及 Sn-Sb 焊接在相同周期之后强度不会降低。这些技术均“具备较高的高温可靠性”。

IGBT模块封装流程：

一次焊接➔一次邦线➔二次焊接➔二次邦线➔组装➔上外壳、涂密封胶➔固化➔灌硅凝胶➔老化筛选。这些流程不是固化的，要看具体的模块，有的可能不需要多次焊接或邦线，有的则需要，有的可能还有其他工序。上面也只是一些主要的流程工艺，其他还有一些辅助工序，如等离子处理，超声扫描，测试，打标等等。

IGBT 模块封装的作用 IGBT 模块封装采用了胶体隔离技术，防止运行过程中发生爆炸;第二是电极结构采用了弹簧结构，可以缓解安装过程中对基板上形成开裂，造成基板的裂纹;第三是对底板进行加工设计，使底板与散热器紧密接触，提高了模块的热循环能力。

对底板设计是选用中间点设计，在我们规定的安装条件下，它的幅度会消失，实现更好的与散热器连接。后面安装过程我们看到，它在安装过程中发挥的作用。产品性能，我们应用 IGBT 过程中，开通过程对 IGBT 是比较缓和的，关断过程中是比较苛刻。大部分损坏是关断造成超过额定值。

四、 IGBT模块封装过程中的技术详解

第一点说到焊接技术，如果要实现一个好的导热性能，我们在进行芯片焊接和进行DBC基板焊接的时候，焊接质量就直接影响到运行过程中的传热性，通过真空焊接技术实现的焊接。可以看到 DBC 和基板的空洞率。这样的就不会形成热积累，不会造成 IGBT 模块的损坏。

第二种就是键合技术，实现数据变形。键合的作用主要是实现电气连接。在 600 安和1200 安大电流情况下，IGBT 实现了所有电流，键合的长度就非常重要，陷进决定模块大小，电流实现参数的大小。运用过程中，如果键合陷进、长度不合适，就会造成电流分布不均匀，容易造成 IGBT 模块的损坏。外壳的安装，因为 IGBT 本身芯片是不直接与空气等环境接触，实现绝缘性能，主要是通过外壳来实现的。外壳就要求在选材方面需要它具有耐高温、不易变形、防潮、防腐蚀等特性。

第三是罐封技术，如果 IGBT 应用在高铁、动车、机车上，机车车辆运行过程中，环境是非常恶劣的，我们可能会遇到下雨天，遇到潮湿、高原，或者灰尘比较大，如何实现IGBT 芯片与外界环境的隔离，实现很好运行的可靠性，它的罐封材料起到很重要的作用。就要求选用性能稳定无腐蚀，具有绝缘、散热等能力，膨胀率小、收缩率小的材料。我们大规模封装的时候，填充材料的部分加入了缓冲层，芯片运行过程中不断加热、冷却。在这个过程中如果填充材料的热膨胀系数与外壳不一致，那么就有可能造成分层的现象，在IGBT 模块中间加入一种类似于起缓冲作用的填充物，可以防止分层现象出现。

第四是质量控制环节，质量控制所有完成生产后的大功率 IGBT，需要对各方面性能进行试验，这也是质量保证的根本，可以通过平面设施，对底板进行平整度进行测试，平整度在 IGBT 安装以后，所有热量散发都是底板传输到散热器。平面度越好，散热器接触性能越好，导热性能越好。第二是推拉测试，对键合点的力度进行测试。第三硬度测试仪，对主电极的硬度，不能太硬、也不能太软。超声波扫描，主要对焊接过程，焊接以后的产品质量的空洞率做一个扫描。这点对于导热性也是很好的控制。IGBT 模块电气方面的监测手段，主要是监测 IGBT 模块它的参数、特性是否能满足我们设计的要求，第二绝缘测试。

审核编辑 黄宇